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[摘 要]文章从工作面瓦斯分源辨识的的需求入手，结合现有《煤矿安全规程》要求回采工作面至少需要三个瓦斯传感器的规定，认为落煤瓦斯涌出相对容易从回风巷的瓦斯总的涌出中提取出来。结合潞安集团李村煤矿1301回采工作面的实际情况，利用Fluent流体分析软件，对该工作面落煤瓦斯与风流的混合过程进行了模拟分析。通过对工作面新鲜风流不同风速情况下的模拟得出，落煤瓦斯和风流混合所需距离与入口风速值成反比。
[关键词]瓦斯 模拟 风速
中图分类号：O710 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0101-02
0、引言
瓦斯事故一直是影响我国煤炭企业安全生产的重大灾害，随着开采深度的增加，这种事故灾害的危害性越来越大，已经成为制约我国煤炭行业发展的重要因素[1]。在瓦斯事故当中，发生在工作面区域内的又占了绝大部分。因此工作面区域瓦斯管理能力的提升，是解决当瓦斯灾害的非常重要个关键的研究方向。工作面瓦斯涌出主要由三部分组成，分别是采空区瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出以及巷道煤壁的瓦斯涌出[2]。为了能够更精确的对工作面的瓦斯状况进行分析，要转变传统瓦斯被动管理到主动治理瓦斯这一理念。
1、工作面落煤瓦斯与气体混合的基本特征
工作面落煤瓦斯与气体混合的过程可以简化为在工作面与回风交接特定区域瓦斯流与新鲜空气流在流动过程中混合的一种现象，在混合过程中，假设气体分子不具备体积，分子之间无作用力，即假设其为理想气体[3]。理想混合气体的状态方程为：
式中：P-绝对压力，Pa；V-混合气体体积，m3；m-混合气体质量，kg；M -混合气体摩尔质量，kg/mol；R0-普适气体常数， 8.31J/（mol·K）；T-绝对温度，K。
在工作面与回风交接区域中取一个微小单元体，其作为控制体具有的特征为：小控制体是固定在空间上具有确定体积，无论流体怎样流经这个控制体，它的体积、形状和位置始终保持不变[4]。流体运动一般要遵循三个基本的守恒定理，质量守恒、动量守恒以及能量守恒定理。本论文讨论工作面落煤瓦斯与气体在巷道流动过程中的混合距离和过程，不考虑温度变化引起能量的问题，主要讨论在风流运动过程中瓦斯流和风流的混合与扩散问题。当流体运动速度远远小于声速时，流体的粘度和密度近似为常数，这种流体为不可压缩粘性流体[5]。不可压缩流体的控制方程为：
2、Gambit模型的建立及网格的划分
由于本文模拟工作面落煤瓦斯与风流混合的状况其主要目的是模拟在给定风速和巷道几何条件的情况下，瓦斯和新鲜空气混合的距离以及时间等问题，不涉及空间上的运动状态分析，所以选择二维的平面模型就能够解决这个问题。
本文选择了潞安集团李村煤矿1301回采工作面作为模拟对象，该工作面的實际情况是回风巷宽4.5米，高3.5米，工作面区域宽度4米，高度4.5米。在回风巷和工作面区域各截取30米来模拟工作面落煤瓦斯与风流混合的状况。按照相似理论，在gambit中建立如模拟所需要的二维空间模型。完成后如下图1所示：
如上图1所示，将计算区域化成了5500个可供计算的网格。
3、落煤瓦斯与风流混合的Fluent模拟实验
本文选择Fluent提供的组分输运与化学反应模型来完成模拟实验，瓦斯和空气流的混合属于分子之间的扩散和运动等问题，没有涉及化学反应的问题，所以不涉及能量的传递。具体的实验过程和步骤如下：
（1）导入Gambit处理好的.msh文件。检查网格，调整计算区域，其中最小计算区域为0.040m3，大于零，可以用于计算；
（2）选择计算模型。需要特别指出的是本次计算需要选择组分输运模型，但是不激活能量方程，选择Define-Models-Species-Species Transport；
（3）定义流体的物理性质。本次计算的两个流体入口一个为瓦斯，另一个为新鲜空气，可以对Fluent自带的methane-air进行修改后使用；
（4）设置边界条件。本次实验对空气流的边界条件设置依据当前风速值并结合了现行《煤矿安全规程》对矿井工作面风速不超过4 m/s的规定，分别选择风速1m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s进行多次模拟，其中成分为22%的氧气和78%的氮气。对于落煤瓦斯的初始涌出，进行了一定的简化，假设瓦斯沿着垂直采煤切面以0.1 m/s的速度涌入巷道；
（5）设置求解参数，初始化并开始迭代。本次实验分别模拟了风流入口风速1m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s所对应的落煤瓦斯与风流混合的状况，由于篇幅有限，下面仅列出1 m/s和4 m/s风速对应的模拟区域速度云图和矢量图，分别入下图2、图3所示。
如上图所示，不同的入口风速导致了落煤瓦斯和风流混合的程度和距离是有关系的，当风速在4m/s时，在回风巷的前10米就风流就达到平衡，在水平方向上的混合已经基本均匀。当风速在1m/s的时候，落煤瓦斯与风流的混合就需要更远的距离，从图2可以看出，水平方向混合均匀大概需15米以上的距离。结合风速2m/s和3m/s的模拟结果得出，在当前工作面，落煤瓦斯和风流混合所需距离与入口风速值成反比。
4、落煤瓦斯与风流混合水平距离分析
潞安集团李村矿1301回采工作面的实际风速为2m/s，分别在回风巷选择水平距离为5m、10m、15m和30m处的断面来考察混合风流的风速变化情况。用Fluent模拟瓦斯为0.1 m/s的速度涌入工作面巷道，工作面入口风速2 m/s时的出口风速分布。具体结果如下图4和图5所示：
如上图所示，巷道宽度为4.5m，分别获取左右1.5m距离的平均风速，计算左右平均风速比值，5m处为0.25，10m处为0.70，15m处为0.91，30m处为0.96。当左右风速比值大于在0.9-1.1之间时，可认为风速基本均匀，基本混合完成。可以得出，当入口风速在2m/s的情况下，1301回采工作面落煤瓦斯与风流基本均匀混合的距离在15m左右，达到充分混合要超过30m距离。
5、结论
本文从矿井工作面瓦斯灾害防治的需求入手，指出工作面瓦斯分院辨识的精细化瓦斯管理是当前比较先进的瓦斯管理方法，精细化瓦斯管理需要对风流与瓦斯流混合过程能更更为清晰地把握。通过对工作面新鲜风流不同风速情况下的模拟得出，不同的入口风速导致了落煤瓦斯和风流混合的程度和距离是有关系的，在当前工作面，落煤瓦斯和风流混合所需距离与入口风速值成反比。结合1301回采工作面实际风速值，分别在回风巷选择水平距离为5m、10m、15m和30m处的断面模拟了实际风流状况，按照对称区域平均风速的比值来衡量瓦斯流与风流的混合程度，得出当入口风速在2m/s的情况下，基本均匀混合的距离在15m左右，达到充分混合要超过30m距离。
参考文献
[1] 范维唐，卢鉴章.煤矿灾害防治的技术与对策煤矿安全监控系统的设计[M].中国矿业大学出版社，2007.
[2] 李树刚，钱鸣高.综放采空区冒落特征及瓦斯流态.[J]矿山压力于顶板管理.1997，No3-4：76～78
[3] 张兴华.综放工作面采空区瓦斯运移规律及其应用.阜新：[D]辽宁工程技术大学，硕士论文.2002，10-03.
[4] 何启林.采空区瓦斯弥散流场的研究.焦作工学院学报.1997，16（3）：74-80
[5] 吴强，梁栋.CFD 技术在通风工程中的运用.徐州：中国矿业大学出版社，2001.
作者简介
1.张奇（1984-----），男，山西长治人，潞安集团李村煤矿建设管理处，硕士研究生学历。
2.李潞玺（1986-----），男，山西长治人，潞安集团李村煤矿建设管理处，高级技师
3.王剑（1989-----），男，山西长治人，潞安集团李村煤矿建设管理处，高级技师
[关键词]瓦斯 模拟 风速
中图分类号：O710 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0101-02
0、引言
瓦斯事故一直是影响我国煤炭企业安全生产的重大灾害，随着开采深度的增加，这种事故灾害的危害性越来越大，已经成为制约我国煤炭行业发展的重要因素[1]。在瓦斯事故当中，发生在工作面区域内的又占了绝大部分。因此工作面区域瓦斯管理能力的提升，是解决当瓦斯灾害的非常重要个关键的研究方向。工作面瓦斯涌出主要由三部分组成，分别是采空区瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出以及巷道煤壁的瓦斯涌出[2]。为了能够更精确的对工作面的瓦斯状况进行分析，要转变传统瓦斯被动管理到主动治理瓦斯这一理念。
1、工作面落煤瓦斯与气体混合的基本特征
工作面落煤瓦斯与气体混合的过程可以简化为在工作面与回风交接特定区域瓦斯流与新鲜空气流在流动过程中混合的一种现象，在混合过程中，假设气体分子不具备体积，分子之间无作用力，即假设其为理想气体[3]。理想混合气体的状态方程为：
式中：P-绝对压力，Pa；V-混合气体体积，m3；m-混合气体质量，kg；M -混合气体摩尔质量，kg/mol；R0-普适气体常数， 8.31J/（mol·K）；T-绝对温度，K。
在工作面与回风交接区域中取一个微小单元体，其作为控制体具有的特征为：小控制体是固定在空间上具有确定体积，无论流体怎样流经这个控制体，它的体积、形状和位置始终保持不变[4]。流体运动一般要遵循三个基本的守恒定理，质量守恒、动量守恒以及能量守恒定理。本论文讨论工作面落煤瓦斯与气体在巷道流动过程中的混合距离和过程，不考虑温度变化引起能量的问题，主要讨论在风流运动过程中瓦斯流和风流的混合与扩散问题。当流体运动速度远远小于声速时，流体的粘度和密度近似为常数，这种流体为不可压缩粘性流体[5]。不可压缩流体的控制方程为：
2、Gambit模型的建立及网格的划分
由于本文模拟工作面落煤瓦斯与风流混合的状况其主要目的是模拟在给定风速和巷道几何条件的情况下，瓦斯和新鲜空气混合的距离以及时间等问题，不涉及空间上的运动状态分析，所以选择二维的平面模型就能够解决这个问题。
本文选择了潞安集团李村煤矿1301回采工作面作为模拟对象，该工作面的實际情况是回风巷宽4.5米，高3.5米，工作面区域宽度4米，高度4.5米。在回风巷和工作面区域各截取30米来模拟工作面落煤瓦斯与风流混合的状况。按照相似理论，在gambit中建立如模拟所需要的二维空间模型。完成后如下图1所示：
如上图1所示，将计算区域化成了5500个可供计算的网格。
3、落煤瓦斯与风流混合的Fluent模拟实验
本文选择Fluent提供的组分输运与化学反应模型来完成模拟实验，瓦斯和空气流的混合属于分子之间的扩散和运动等问题，没有涉及化学反应的问题，所以不涉及能量的传递。具体的实验过程和步骤如下：
（1）导入Gambit处理好的.msh文件。检查网格，调整计算区域，其中最小计算区域为0.040m3，大于零，可以用于计算；
（2）选择计算模型。需要特别指出的是本次计算需要选择组分输运模型，但是不激活能量方程，选择Define-Models-Species-Species Transport；
（3）定义流体的物理性质。本次计算的两个流体入口一个为瓦斯，另一个为新鲜空气，可以对Fluent自带的methane-air进行修改后使用；
（4）设置边界条件。本次实验对空气流的边界条件设置依据当前风速值并结合了现行《煤矿安全规程》对矿井工作面风速不超过4 m/s的规定，分别选择风速1m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s进行多次模拟，其中成分为22%的氧气和78%的氮气。对于落煤瓦斯的初始涌出，进行了一定的简化，假设瓦斯沿着垂直采煤切面以0.1 m/s的速度涌入巷道；
（5）设置求解参数，初始化并开始迭代。本次实验分别模拟了风流入口风速1m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s所对应的落煤瓦斯与风流混合的状况，由于篇幅有限，下面仅列出1 m/s和4 m/s风速对应的模拟区域速度云图和矢量图，分别入下图2、图3所示。
如上图所示，不同的入口风速导致了落煤瓦斯和风流混合的程度和距离是有关系的，当风速在4m/s时，在回风巷的前10米就风流就达到平衡，在水平方向上的混合已经基本均匀。当风速在1m/s的时候，落煤瓦斯与风流的混合就需要更远的距离，从图2可以看出，水平方向混合均匀大概需15米以上的距离。结合风速2m/s和3m/s的模拟结果得出，在当前工作面，落煤瓦斯和风流混合所需距离与入口风速值成反比。
4、落煤瓦斯与风流混合水平距离分析
潞安集团李村矿1301回采工作面的实际风速为2m/s，分别在回风巷选择水平距离为5m、10m、15m和30m处的断面来考察混合风流的风速变化情况。用Fluent模拟瓦斯为0.1 m/s的速度涌入工作面巷道，工作面入口风速2 m/s时的出口风速分布。具体结果如下图4和图5所示：
如上图所示，巷道宽度为4.5m，分别获取左右1.5m距离的平均风速，计算左右平均风速比值，5m处为0.25，10m处为0.70，15m处为0.91，30m处为0.96。当左右风速比值大于在0.9-1.1之间时，可认为风速基本均匀，基本混合完成。可以得出，当入口风速在2m/s的情况下，1301回采工作面落煤瓦斯与风流基本均匀混合的距离在15m左右，达到充分混合要超过30m距离。
5、结论
本文从矿井工作面瓦斯灾害防治的需求入手，指出工作面瓦斯分院辨识的精细化瓦斯管理是当前比较先进的瓦斯管理方法，精细化瓦斯管理需要对风流与瓦斯流混合过程能更更为清晰地把握。通过对工作面新鲜风流不同风速情况下的模拟得出，不同的入口风速导致了落煤瓦斯和风流混合的程度和距离是有关系的，在当前工作面，落煤瓦斯和风流混合所需距离与入口风速值成反比。结合1301回采工作面实际风速值，分别在回风巷选择水平距离为5m、10m、15m和30m处的断面模拟了实际风流状况，按照对称区域平均风速的比值来衡量瓦斯流与风流的混合程度，得出当入口风速在2m/s的情况下，基本均匀混合的距离在15m左右，达到充分混合要超过30m距离。
参考文献
[1] 范维唐，卢鉴章.煤矿灾害防治的技术与对策煤矿安全监控系统的设计[M].中国矿业大学出版社，2007.
[2] 李树刚，钱鸣高.综放采空区冒落特征及瓦斯流态.[J]矿山压力于顶板管理.1997，No3-4：76～78
[3] 张兴华.综放工作面采空区瓦斯运移规律及其应用.阜新：[D]辽宁工程技术大学，硕士论文.2002，10-03.
[4] 何启林.采空区瓦斯弥散流场的研究.焦作工学院学报.1997，16（3）：74-80
[5] 吴强，梁栋.CFD 技术在通风工程中的运用.徐州：中国矿业大学出版社，2001.
作者简介
1.张奇（1984-----），男，山西长治人，潞安集团李村煤矿建设管理处，硕士研究生学历。
2.李潞玺（1986-----），男，山西长治人，潞安集团李村煤矿建设管理处，高级技师
3.王剑（1989-----），男，山西长治人，潞安集团李村煤矿建设管理处，高级技师